[发明专利]加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪及方法

说明书

本发明公开了一种加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪及方法，该实验仪包括安装架、千斤顶、实验箱和马氏瓶；该方法包括步骤：一、制作非饱和土水气二相流运移实验土样；二、传感器编号；三、设定马氏瓶水位；四、非饱和土样的加荷扰动；五、调节千斤顶向非饱和土样加荷值，获取不同加荷扰动条件下，非饱和土样加荷扰动下的水气二相流运移数据；六、非饱和土样的卸荷扰动；七、调节千斤顶对非饱和土样卸荷值，获取不同卸荷扰动条件下，非饱和土样卸荷扰动下的水气二相流运移数据。本发明利用分层预压土样模拟非饱和土，利用千斤顶为非饱和土进行加卸荷扰动，利用马氏瓶模拟地下潜水位，以期深入理解加卸荷作用下非饱和土水气二相运移规律。

技术领域

本发明属于加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移模拟技术领域，具体涉及一种加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪及方法。

背景技术

近年来，随着城市化的快速发展，多山地区以“削山造地”、“移山填壑”的方式开展山地城镇化建设。以延安市为例，已完成的延安新区一期工程削平山头30余座。在这些挖方或填埋区域会导致土体非饱和带的渗流场和应力场发生改变，是影响建设工程用地的重要地质因素。非饱和土的孔隙中充满了水相和气相两种流体，这两种流体在土壤孔隙通道中相互驱替形成复杂的水气二相运移过程，该过程受控于渗流场和应力场的耦合作用。当土体加荷或卸荷后发生变形，导致岩土介质应力场发生变化，会引起非饱和土中孔隙结构发生改变，进而引起水力参数的变化；而水力参数的变化会导致渗流场发生改变，进而诱发应力场变化。这种渗流场与应力场之间的“流固耦合”作用进一步的影响非饱和土中水气二相的运移机理。然而目前对挖方填埋加卸荷条件下土体非饱和带水气二相的演化规律及其对水文地质条件和工程地质条件的影响尚未形成明确的认识。

目前，用于模拟研究非饱和土水汽二相流运移机理的实验仪器主要有：一维、二维水-气渗流联合测定仪、新型三轴渗透仪以及普通砂槽模型等。其中一维、二维水气渗流联合测定仪通过水流入渗来驱动气相流动营造出水气二相流的流场，采用自动监测系统监测土柱中气体的压力变化，可以模拟较大的土样条件，但缺点是注重于渗流场对水气二相流的作用忽略了应力场的作用；新型三轴渗透仪可以模拟应力状态和饱和情况，可测定不同应力状态下的渗水系数和渗气系数，自动化程度高，监测系统敏度，但缺点是土样内的空隙被视为均匀分布，不能揭示水气二相流的驱替过程；砂槽模型可以模拟不同的降雨强度对非饱和土的影响，可以监测不同埋深的气压、负压及含水率，可以揭示非饱和土水气二相驱替过程，但缺点是承受荷载能力小，其构件所用材质以木材或角钢与有机玻璃结合为主。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，其设计新颖合理，利用分层预压土样模拟非饱和土，利用千斤顶为非饱和土进行加卸荷扰动，同时利用马氏瓶模拟地下潜水位，以期深入理解加卸荷作用下非饱和土水气二相运移规律，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，其特征在于：包括安装架和设置在所述安装架上的实验箱，所述安装架包括门形支架和设置在所述门形支架底部的底座，底座上位于门形支架横梁的正下方设置有用于安装所述实验箱的水平板，水平板上位于所述实验箱的旁侧安装有用来模拟地下潜水位的马氏瓶，所述实验箱为顶部敞口的立方体实验箱和与所述顶部敞口的立方体实验箱配合且沿所述顶部敞口的立方体实验箱高度方向移动的顶板，所述顶部敞口的立方体实验箱包括底板、两个面板和两个侧板，所述顶部敞口的立方体实验箱内分层装填有非饱和土样，所述非饱和土样内从下至上分层预埋有用于测试非饱和土样土压力值的土压力盒、用于测试非饱和土样含水率数据的土壤水分传感器和用于测试非饱和土样气相压力数据的气压传感器，顶板和门形支架的横梁之间设置有千斤顶，千斤顶与顶板接触的一端安装有轮辐式压力传感器，所述底板上设置有通水管，马氏瓶的出液端通过软管与所述通水管连通，所述软管上设置有止水夹，侧板和顶板上开设有多个用于模拟地层边界条件的通孔。